Проектирование теплозащитных покрытий РДТТ

 

В процессе работы РДТТ его основные узлы и элементы конструкции испытывают значительные тепловые нагрузки. Действительно, в камере сгорания большинства использующихся на практике РДТТ, реализуются условия:

-уровни давления в камере РДТТ — 1 ...20 МПа;

-температура продуктов сгорания — 2000...3800 К;

-скорости продуктов сгорания —до 2500 м/с;

-массовые концентрации конденсированных частиц—до 40%;

-время работы РДТТ до 100 с;

-значения тепловых потоков, поступающих в элементы кон­струкции, - 20...200 МВт/м².

Отсутствие тепловой защиты элементов конструкций двига­тельной установки может привести к ее разрушению одним из следующих способов:

- разогрев конструкций до недопустимых температур, при ко­торых не обеспечиваются ее механические характеристики, что приводит к разрушению узлов, элементов и РДТТ в целом;

- прогорание стенок РДТТ без общего разрушения двигателя приводит к нерасчетным значениям модуля тяги РДТТ и к изменению его направления;

- оплавление или деструктивное разрушение материалов эле­ментов конструкции двигателя, что приводит к исключению из рабочего процесса функций, выполняемых этими элементами, и как следствие к нерасчетному варианту функционирования РДТТ в целом.

Из-за различия уровня тепловых потоков по длине камеры РДТТ наличие теплозащитных материалов может оказаться необходимым лишь в отдельных областях. Так, для большинства РДТТ внутрикамерное пространство и сопло­вой блок по уровням реализующихся тепловых потоков могут быть разделены на следующие основные области:

-застойные зоны - скорости продуктов сгорания не превосходят 25…50 м/с;

-зона переднего днища - скорость продуктов сгорания не превосходит 25...70 м/с;

-цилиндрические участки камеры РДТТ- скорости продукта сгорания соответствуют уровням 50...200 м/с;

-зона входа в дозвуковую часть соплового блока скорость - продуктов сгорания равна 100...350 м/с;

-зона критического сечения сопла — уровни скоростей составляют 1000...2500 м/с.

Перечисленные участки камеры РДТТ отмечены на рис.3.37. цифрами 1...6. Отметим следующий важный при выборе теп­лозащитных материалов факт: если в процессе работы двига­тельной установки произойдет частичное разрушение теплоза­щитного покрытия, размещенного в областях 1...3, то это не приведет к заметному изменению основных параметров РДТТ, в то время как, разрушение теплозащитного материала, нане­сенного на участках 4…6, может привести к большим неприят­ностям — эксцентриситету тяги, снижению уровня давлении в камере двигателя, снижению тяги и другим неблагоприятным факторам. В связи с этим устанавливаются и соответствующие требования к перечисленным областям: на участках 1. ..3 допускается применение эластичных теп­лозащитных материалов, а по мере увеличения скоростей про­дуктов сгорания - полуэластичных (области 3, 4) и жестких материалов (области 5, 6).

Рис.3.37. Основные области рдтт, отличающиеся уровнями тепловых потоков:

1- застойная зона; 2, 3- зоны слабых тепловых потоков; 4, 6- зоны

2- значительных тепловых потоков; 5- зона максимальных тепловых потоков.

 

Таким образом, можно определить задачи, решаемые при проектировании теплозащитных покрытий:

- установление уровней тепловых потоков и времени их воздействия на элементы конструкции РДТТ;

- установление необходимости применения теплозащитных покрытий;

- выбор материалов для тепловой защиты элементов кон­струкций, если имеется необходимость в их использовании;

- определение толщины теплозащитных материалов на эле­ментах конструкций двигательной установки.

Учитывая необходимость в обеспечении высоких показателей качества РДТТ в целом (например, по коэффициентам массо­вого совершенства), к материалам, использование которых до­пускается в качестве теплозащитных, предъявляются следую­щие требования:

- низкая плотность;

- высокая теплоемкость;

- низкие тепло- и температуропроводность;

- механические характеристики по прочности и жесткости теп­лозащитных материалов должны быть близки к характеристи­кам сопряженных деталей;

- химическая стойкость теплозащитного материала;

- стойкость к термической и термоокислительной деструкции;

- высокие технологические свойства; конструкции РДТТ;

- низкая стоимость теплозащитного материала и технологии работы с ним.

Под внутренней теплозащитой корпусов и днищ подразумевают теплозащитное покрытие (ТЗП) и защитно-крепящий слой (ЗКС).

Назначение ТЗП—защита несущих обечаек конструкции от воздействия высокотемпературного газового потока. Назначение ЗКС—обеспечение прочного скрепления твердотопливного заряда с обечайкой корпуса и защита твердого топлива от внешних тепло­вых потоков (аэродинамического нагрева).

К ЗКС предъявляются следующие требования: низкая плот­ность; прочностные и жесткостные характеристики близкие к ха­рактеристикам заряда; стабильность свойств во времени; надежная адгезия к поверхности несущей обечайки и к поверхности заряда; достаточная негигроскопичность ЗКС.

Все применяемые теплозащитные материалы (ТЗМ) можно разде­лить на две большие группы — пассивные и активные. К пас­сивным материалам относятся материалы, которые весь рабо­чий период сохраняют неизменной свою первоначальную гео­метрическую форму. Эти материалы сочетают высокую тепло­емкость, большую температуру разрушения (емкостные ТЗМ) и относительно низкую температуро- и теплопроводность (теплоизоляционные ТЗМ). Теплозащитный эффект от применения материалов этой группы состоит в реализации аккумулирующего и теплоизоляционного эффектов при условии выдерживания вы­соких значений температур, соответствующих раз­рушению материала.

К активным покрытиям следует отнести материалы, работа которых сопровождается их разрушением. Различают три груп­пы активных покрытий:

-с внутренним уносом массы разру­шающегося компонента (испаряющиеся ТЗМ);

-с внешним уносом массы (коксующиеся ТЗМ);

-с ком­бинированным уносом (композиционные теплозащитные по­крытия, в которых в отдельные периоды их работы может на­блюдаться и тот и другой механизмы разрушения – сгорающие ТЗМ).

Активные теплозащитные материалы с внутренним уносом массы представляют собой тугоплавкий пористый материал, пропитанный (заполненный) хладагентом, — металлами (например, медь), мине­ралами или органическими соединениями с высокой теплотой плавления и испарения. В качестве пористой основы в таких материалах могут использоваться металлы вольфрам, молибден и т.п. Теплозащитный эффект активных покрытий с внутренним уно­сом массы состоит в следующем:

- на разложение наполнителя, размещенного в порах туго­плавкого каркаса затрачивается значительная часть поступаю­щего в конструкцию тепла;

- за счет вдува в пограничный слой продуктов разложения наполнителя снижается величина теплового потока в конструк­цию узла, поступающего от продуктов сгорания топлива или навески воспламенителя.

Активные теплозащитные покрытия с внешним уносом массы представляют собой сублимирующие покрытия, состоящие из минерального наполнителя (например, минеральные соли типа Мg₃N₂, Si₃N₄, AlN, NH₄F, NH₄CI, AlF₃, ZnO, CdO и т.д.) и органи­ческой связки (например, фенольные, эпоксидные, кремнийорганические смолы). Теплозащитный эффект этих покрытий основан на явлениях, характерных для материалов с внй эффект этих покрытий основан на явлениях, характерных для материалов с внутренним уносом массы. Однако помимо рассмотренных, при­сутствует и дополнительный - унос разогретого до тем­пературы разрушения теплозащитного материала, обес­печивает удаление от поверхности ТЗМ дополнительного ис­точника тепла.

Активные теплозащитные покрытия с комбинированным уно­сом массы представляют собой твердотопливную композицию, в которой элементов, являющихся горючим гораздо больше элементов, относящихся к группе окислителей; их можно рассматривать как композиционные материалы, содержащие уносящийся (разлагающийся) наполнитель, запол­няющий пространство внутри каркаса, образованного связую­щим материалом. Унос такого теплозащитного материала про­исходит по двухступенчатой периодической схеме:

- в первоначальный момент разрушение теплозащитного материала происходит аналогично ТЗМ с внутренним уносом массы — разлагается поверх­ностно расположенный наполнитель;

- по мере разрушения наполнителя все большая часть каркаса из связующего компонента обнажается, что при дальнейшем воздействии теплового потока приводит к разрушению обна­женного (без наполнителя) слоя каркаса; поведение ТЗМ в дан­ном случае может быть сравнено с уносом аблирующего ма­териала.

Указанный тип ТЗМ получил широкое распространение в качестве бронировки зарядов твердого ракетного топлива.

Нанесение ТЗМ на внутреннюю поверхность корпусов может осуществлять­ся механизированным (напыление порошков, центробежное нанесение паст) или ручным (вкладка листов, засыпка гранул) методами. Процесс нанесения сво­дится к следующему. Перед нанесением теплозащитного материала внутренняя поверхность детали очищается на пескоструйной установке, после чего очищен­ная поверхность подвергается химической очистке растворителями. Наносится клеящий состав, производится выкладка листов теплозащитного материала (отвержденного или неотвержденного). В случае применения отвержденного мате­риала изделие выдерживается под небольшим давлением в течение определенно­го времени при температуре помещения. Нанесение предварительно отвержден­ного ТЗМ дает возможность изготовлять сложные профили с жесткими допусками, исключает появление внутренних напряжений, возникающих при термообработке в процессе формования. В случае нанесения неотвержденного ТЗМ производится тер­мообработка материала в термокамере под давлением 0,8...1 МПа при темпе­ратуре 413 ...435 К в течение определенного времени. Для создания давления применяются специальные стапели в виде металлических барабанов, смонтиро­ванных на планшайбе опорного устройства. На барабан надевается резиновый мешок для передачи давления на ТЗМ.

Термокамера для отверждения теплозащитного покрытия (ТЗП) представляет конструкцию, включаю­щую а себя рабочий объем, калориферы с системой вентиляторов, приборы уп­равления температурным процессом, гидровакуумную систему. По окончании термообработки готовое покрытие подвергается контролю. Контроль произво­дится как на образцах-свидетелях, так и непосредственно на изделии (разруша­ющие и неразрушающие методы). На образцах-свидетелях контролируются фи­зико-механические свойства, степень отверждения, плотность. Непосредственно на изделии контролируются качество склеивания (адгезия), геометрические раз­меры, твердость и полнота полимеризации по твердости.

Качество адгезии ТЗП и ЗКС к металлу определяется ультразвуковыми при­борами. Для осуществления контроля изготавливаются эталоны, на которых полностью повторяется схема выкладки ТЗП, ЗКС и конфигурация детали. Кроме того, при необходимости качество адгезии определяется непосредствен­ным отслаиванием ТЗП и ЗКС от металлической поверхности на изделии. При этом определяется фактическая прочность адгезии.